电力设施的微波除冰装置和除冰方法.pdf

电力设施微波除冰装置电力设施的微波除冰装置和除冰方法，主要由移动装置、微波辐射融冰器和微波电极切冰刀组成。该装置的除冰方法采用微波辐射融冰和微波电极切冰两种模式，通过两种模式的有机结合和相互配合，应对不同的覆冰状态，对电力设施覆冰绝缘子进行除冰。

1、  一种电力设施的微波除冰装置，其特征在于该装置包括微波电源(4)、微波辐射融冰器(15)、微波电极切冰刀(29)、移动装置(1)、可调整支架(10)和工控机(11)；微波电源(4)固定在移动装置(1)上，微波辐射融冰器(15)固定在可调整支架(10)的第一微调支架(23)上，微波电极切冰刀(29)固定在可调整支架(10)的第二微调支架(28)上；微波电源(4)通过远距离软连接方式加载到辐射器用磁控管(20)和切冰刀用磁控管(32)，构成微波发生器；微波电源(4)通过调节高压变压器(7)调节辐射器用磁控管(20)和切冰刀用磁控管(32)的微波输出，实现供电电压的输出功率平稳或快速稳定变化；微波辐射融冰器(15)由辐射器用磁控管(20)和辐射头(16)组成，辐射器用磁控管(20)用螺栓(17)固定在用金属材料制成的辐射头(16)的固定板(18)上；辐射头(16)由金属材料制作，形状为内置喇叭形；微波电极切冰刀(29)包括切冰刀用磁控管(32)、微波天线(37)、第一电极(41)以及第二电极(40)；切冰刀用磁控管(32)用适配的插头(34)和插座(35)连接微波天线(37)，实现微波天线(37)与切冰刀用磁控管(32)之间连接的一体化，微波天线(37)与切冰刀的第一电极(41)相连，第二电极(40)与金属外壳(36)相连。

2、  根据权利要求1所述的电力设施的微波除冰装置，其特征在于所述的辐射器用磁控管(20)连接辐射器用水泵(19)，辐射器用磁控管(20)背面被降温罩(22)包裹，并利用辐射器用水泵(19)对辐射器用磁控管(20)的阳极进行水冷降温；切冰刀用磁控管(32)的背面由降温罩(33)包裹，并利用切冰刀用水泵(31)对切冰刀用磁控管(32)的阳极进行水冷降温。

3、  根据权利要求1所述的电力设施的微波除冰装置，其特征在于所述的第一和第二两个电极(41、40)长度一致，相对放置，并向内呈弧形弯曲；第一和第二两个电极(41、40)构成切冰刀刀头，切冰刀头为双极微波发射。

4、  根据权利要求1所述的电力设施的微波除冰装置，其特征在于所述的可调整支架(10)固定在移动装置(1)上，所述可调整支架(10)包括第一微调支架(23)、第二微调支架(28)、第一支杆臂(25)、第二支杆臂(27)、伸缩控制系统(26)；可调整支架(10)由粗调和细调两种方式调节微波辐射融冰器(15)和微波电极切冰刀(29)的位置，粗调装置由手动调节的伸缩控制系统(26)和固定在伸缩控制系统(26)上的第一支杆臂(25)、第二支杆臂(27)、电控转动轴(24)组成；细调装置主要由第一微调支架(23)、第二微调支架(28)组成。

5、  应用权利要求1的所述的电力设施的微波除冰装置的除冰方法，其特征在于启动微波电极切冰刀(29)，调整可调整支架(10)，使微波电极切冰刀(29)对准覆冰绝缘子(14)的除冰位置，进行双极微波发射，集中能量切冰；然后停止微波电极切冰刀(29)，启动微波辐射融冰器(15)，调整可调整支架(10)，使微波融冰器(15)对准覆冰绝缘子(14)的除冰位置以微波快速溶解绝缘子(14)上的覆冰。

电力设施的微波除冰装置和除冰方法
技术领域
本发明涉及一种除冰装置和除冰方法，特别涉及用于变电站电力设施的除冰装置和方法。
背景技术
随着能源需求的显著增加，输电线路的输送功率也不断增加，对于输电电压等级提出了更高的要求。目前我国在超高压、特高压输电的应用方面已经走在了世界的前列，但是我国许多地区输变电系统覆冰积雪非常严重，多年来一直威胁着电网安全。
2005年华中电网由于受冰雪灾害影响，500千伏线路多次跳闸，高压输电线路多处倒塌输；2007年初大风裹夹雨雪侵袭华北电网“西电东送”主通道，造成部分线路掉闸，华北电网多条500千伏线路及变电站因雨雪形成覆冰；同样由于宁夏、青海、甘肃遭受了大风雪袭击，致使西北电网安全稳定运行面临严重威胁；尤其是2008年初，我国南方大部分地区遭受的那场低温、雨雪、冰冻灾害，给群众的生产、生活和服务造成了严重的影响。特别是，电力设施所受到的严重损伤进一步加剧了灾害的影响范围和影响程度。这次冰雪灾害波及我国中部、南部和西部19个城市，造成成百上千座高压铁塔倒塌、万余条电力线路和2000余座变电站损坏，致使部分城市甚至个别省份大面积长时间停电。停电导致铁路电力机车无法运行，春运严重受阻，大量旅客滞留各地，铁路物流也随之中断，基础设施遭受较大毁损，一些城市断电、断水，数千万人陷入了黑暗、寒冷和等待之中，工农业生产损失严重。因此输变电系统安全问题特别是覆冰安全问题是我国亟待解决的、关系国计民生的重大科学技术问题。为确保民众供电安全，急需对变电站的覆冰进行清除。
尤其是2007-2008年冬春之交的重大冰雪灾害，给输变电设施带来大面积覆冰，覆冰厚度普遍超过30mm，局部地区达到80mm，远远超过规定的设计标准，造成输电线路大量倒塔、断线、冰闪等，电力设施大范围损毁。雪灾导致国家电网直接经济损失高达104.5亿元。为了保证输电线路的正常运行，避免重大的经济损失，变电站在发生覆冰灾害时能够迅速有效的除冰，所以，研究先进高效的覆冰去除技术，具有重要的现实意义。
目前，国内外除冰的主要技术可归纳为30余种，划分为两类：热力融冰法和机械除冰法。热力融冰法主要包括：(1)阻性线除冰方法是在覆冰导线上缠绕发热电阻丝，通过安装于导线上的互感器为电阻丝发热电源，使导线上的覆冰融化或脱落。这种方法在日本和加拿大少数地区使用。(2)过电流和短路电流融冰技术是在线路中通以高于正常电流密度的传输电流，利用焦耳效应来加热导线。前苏联自20世纪50年代起、我国自1976年以来和加拿大Manitoba水电局自1993年以来采用过短路电流融冰技术对输电线路除冰；机械除冰法主要包括：(1)手工敲击法主要是利用操作杆敲击导、地线使其产生振动来消除覆冰。(2)磨擦除冰法主要采用绝缘绳搭在导线上，并顺着导线拉绳，利用绳索与导、地线间的磨擦除冰。这种机械除冰方法存在的问题是：需要耗费大量的人力去维护，自动化程度低，且除冰效率不高。
发明内容
本发明的目的是克服现有除冰方法能量消耗高，安全性差、效率低、人员劳动强度大、工作环境恶劣以及实际工程操作不方便等缺点，提出一种微波除冰装置和除冰方法，本发明适用于变电站电力设施的除冰。
本发明采用以下技术方案：
本发明微波除冰方法采用微波辐射融冰器和微波电极切冰刀相结合，首先采用微波电极切冰刀进行切冰，然后利用水吸收微波能量的原理，启动微波辐射融冰器，对冰进行融解。
本发明装置的核心部件是微波辐射融冰器和微波电极切冰刀。作为激发和维持微波产生的直接动力，高可靠、稳定、长时间工作的高功率微波电源也是该装置中重要的组成部分，为了最大限度减少微波能量传输的损耗，将微波电源产生的高电压通过远距离软连接方式将电源电压加载到磁控管构成微波发生器，微波发生器输出的微波为连续波，工作频率为2450MHz，输出功率10～50KW可调。
微波电极切冰刀主要由磁控管、微波天线和刀头组成，水泵和降温罩通过螺栓与磁控管相连，实现对磁控管的降温，同时磁控管与微波天线之间通过适配的插套与微波天线连接，这种连接方式既方便互换，又不影响辐射器的电学特性，而且不会影响因辐射器的驻波比而造成连接处发热，从而影响微波磁控管的使用寿命。为了解决微波天线的电磁兼容问题，利用金属外壳对微波天线对周围环境的辐射进行屏蔽，微波天线经过过渡接头与微波电极切冰刀的一个电极相连，微波电极切冰刀的另一个电极与过渡接头外部的金属外壳相连，两个长度一致的电极构成微波电极切冰刀的刀头，刀头与过渡接头的连接方式为螺纹紧固连接，方便随时更换。为了增加两电极之间的能量，电极刀头相对放置，向内呈弧形弯曲。切冰刀头为双极微波发射，该刀头轴向温场功率输出效率高，驻波系数低，凝固性强，在切冰中不打火、并且控制微波的径向传导。
微波辐射融冰器主要由磁控管和辐射头组成，它主要利用水吸收微波能量的原理，在电极切冰的过程中，上表面融化出一部分水，由于水吸收微波的能量远远大于冰，导致水吸收微波多，冰的融化速度加快。磁控管同样通过水泵和降温罩实现降温，并与辐射头之间采用螺栓的方式进行固定连接。辐射头由金属材料制作，形状为内置喇叭形，既是具有定向辐射功能的辐射天线，同时又可以防止微波在其它方向的泄漏，集中微波的能量，以高效的微波快速溶解覆冰绝缘子上的覆冰。
为了使该发明装置在电力设施变电站安全运行，整个装置需要外绝缘。
为方便变电站电力设施移动除冰，本发明除冰装置可由野外电力车装载。
附图说明
图1为本发明除冰系统框图；
图2是本发明装置的结构示意图，图中：1 移动装置，2 备用发电机，3 冷却水循环箱，4 微波电源，5 电源插座，6 散热风扇，7 变压器，8 隔离保护单元，9 数据通讯与控制单元，10 可调整支架，11 工控机，12 辐射器电源线，13 切冰刀电源线，14 覆冰绝缘子，15 微波辐射融冰器，16 辐射头，17 螺栓，18 固定板，19 辐射器用水泵，20 辐射器用磁控管，21辐射器电源插头，22 降温罩，23 第一微调支架，24 电控转动轴，25 第一支杆臂，26 伸缩控制系统，27 第二支杆臂，28 第二微调支架，29 微波电极切冰刀，30 切冰刀电源插头，31切冰刀用水泵，32 切冰刀用磁控管，33 降温罩，34 适配插座，35 适配插头，36 金属外壳，37 微波天线，38 不锈钢管中间连接件，39 过渡接头，40 第一电极，41 第二电极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示本发明除冰系统主要由微波电源、微波辐射融冰器、微波电极切冰刀组成。除冰方法采用微波辐射融冰和微波电极切冰两种方式，通过两种方式的有机结合和相互配合，应对不同的覆冰状态，达到电力设施绝缘子除冰的目的。
本发明装置主要包括微波电源4、微波辐射融冰器15、微波电极切冰刀29以及可调整支架10。其中微波电源4固定在移动装置1上，微波辐射融冰器15和微波电极切冰刀29分别通过辐射器用磁控管20和切冰刀用磁控管32背面上的螺栓固定在可调整支架10的第—微调支架23和第二微调支架28上。
考虑到提高微波辐射融冰器15和微波电极切冰刀29的切冰和融冰效率，并使其操作方便、最大限度降低能量传输损耗，本发明采用激励反射输出方式将磁控管与输出天线进行无传输线直接连接。微波电源4通过远距离软连接方式加载到辐射器用磁控管20和切冰刀用磁控管32，构成微波发生器。为了提高微波输出功率，可以由多个微波电源4并联组成大功率的微波电源，每个微波电源4都可以通过各自内部的数据通讯与控制单元9经过网线与工控机11相连接，控制微波功率输出的大小，同时微波电源4的工作状态也经过数据通讯与控制单元9传输给工控机11。微波电源4主要由变压器7、隔离保护驱动单元8、数据通讯与控制单元9以及散热风扇6组成。微波电源4通过控制可控硅导通角的变化，调节高压变压器7初级电压，进而实现次级高压的调节，变压器次级电压经全波整流加到辐射器用磁控管20和切冰刀用磁控管32的阴极，调节微波辐射融冰器15和微波电极切冰刀29的微波输出功率，实现供电电压的输出功率平稳或快速稳定变化。隔离保护驱动单元8连接变压器7，并为变压器7的正常运行提供保护、驱动作用，散热风扇6安装在变压器7附近，保证整个微波电源4的正常工作。
如图2所示，微波辐射融冰器15主要由辐射器用磁控管20、辐射头16组成。辐射器电源线12连接微波电源4和辐射器插头21，由微波电源4为微波辐射融冰器15的辐射器用磁控管20供电，微波电源4与辐射器用磁控管20组成微波发生器。辐射器用磁控管20用螺栓17固定在用金属材料制成的辐射头16的固定板18上，辐射器用磁控管20的背面由降温罩22包裹，并利用辐射器用水泵19对辐射器用磁控管20的阳极进行水冷降温，冷却水循环箱3为辐射器用水泵19提供冷却水。
微波电极切冰刀29主要由切冰刀用磁控管32、微波天线37、不锈钢管中间连接件38、第一电极41以及第二电极40组成。切冰刀电源线13连接微波电源4和切冰刀插头30，由微波电源4为微波电极切冰刀29的切冰刀用磁控管32供电，微波电源4与切冰刀用磁控管32组成微波发生器。切冰刀用磁控管32用适配的插头34和插座35连接微波天线37，实现微波天线37与切冰刀用磁控管32之间连接的一体化。切冰刀用磁控管32的背面由降温罩33包裹，并利用切冰刀用水泵31对切冰刀用磁控管32的阳极进行水冷降温。冷却水循环箱3为辐射器用水泵31提供冷却水。微波天线37利用金属外壳36对辐射进行屏蔽，经过不锈钢管中间连接件38和过渡接头39与切冰刀的第一电极41相连，第二电极40与金属外壳36相连，两个电极41、40长度一致，相对放置，并向内成弧形弯曲，两个电极41、40构成切冰刀刀头。
可调整支架10主要由第一微调支架23、第二微调支架28、第一支杆臂25、第二支杆臂27、伸缩控制系统26组成，可调整支架10固定在移动装置1上。可调整支架10由粗调和细调两种调节方式调节微波辐射融冰器15和微波电极切冰刀29位置，达到精确对准覆冰绝缘子14的目的。粗调装置由手动调节的伸缩控制系统26，以及固定在伸缩控制系统26上的第一支杆臂25、第二支杆臂27、电控转动轴24共同组成。第一支杆臂25和第二支杆臂27采用横向、纵向可移动的导轨状设计，并在导轨内嵌入金属滑块，通过控制系统随时牢固固定任何一点，电控转动轴24起到连接支杆臂的作用，设计为可多向运动的机械关节方式。细调装置主要由第一微调支架23、第二微调支架28组成，两个微调支架分别由两个步进电机控制，并分别固定在第一支杆臂25和第二支杆臂27上，这样粗调与精调相结合，实现对覆冰绝缘子14位置的精确对准。
本装置的具体工作过程如下：
移动装置1装载带有微波辐射融冰器15和微波电极切冰刀29的可调整的可调整支架10、微波电源装置4、备用发电机2、冷却水循环箱3以及工控机11。如图1所示，微波电源4通过数据通讯与控制单元9经过网线与工控机11相连接，控制微波功率输出的大小，同时将微波电源4的工作状态也经过数据通讯单元9传输给工控机11。
工作时，工控机11的控制软件启动，选择微波电极切冰的除冰模式，启动微波电极切冰刀29，并与可调整支架10的粗调和细调装置相结合，保证微波电极切冰刀29精确对准覆冰绝缘子14的除冰位置，进行双极微波发射，集中能量进行切冰。接着使微波电极切冰刀29停止工作，启动微波辐射融冰器15，同样利用可调整支架10的粗调和细调装置，保证微波辐射融冰器15精确对准覆冰绝缘子14，然后以高效的微波快速溶解绝缘子14上的覆冰。